CN104892869A

CN104892869A - 用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体及其制备方法和应用

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Publication number: CN104892869A
Application number: CN201510354227.0A
Authority: CN
Inventors: 李蕾; 曾延波; 阮佳; 刘海清; 张剑; 曹红
Original assignee: Jiaxing University
Current assignee: Jiaxing University
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2035-06-23
Also published as: CN104892869B

Abstract

本发明公开了用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体及其制备方法和应用，该磁性聚合离子液体，是由载体、功能单体、交联剂在引发剂作用下聚合形成的颗粒状材料，所述功能单体为1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐，所述交联剂为1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐。本发明以1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐为功能单体，以1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐为交联剂聚合制得的磁性聚合离子液体对MC-RR，MC-LR能快速达到吸附平衡状态，同时具有较高的吸附容量和良好的选择吸附能力，MC-RR，MC-LR的最大吸附量分别为10.32μmol/g、10.88μmol/g。

Description

用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种磁性聚合物，尤其涉及用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体及其制备方法和应用。

背景技术

微囊藻毒素(MC)是蓝藻水华暴发所产生的肝毒素，是强烈的肝脏肿瘤促进剂。目前，已经发现MC的异构体达70多种，存在较为普遍，其中毒性较大的是MC-LR。随着水体的富营养化，蓝藻水华和赤潮的对水体环境的危害已成我国关注的重大环境安全问题之一。

微囊藻毒素是蓝藻水华产生的次生代谢产物。目前，中国生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)中，微囊藻毒素含量限制为1μg/L，该标准对饮用水源水的水质量提出了更高的要求。微囊藻毒素的危害主要有3点：1)由于MC的毒性作用的靶向器官为肝脏，所以它会通过诱发肝炎、肝癌而使人体患上肝病危害健康；2)人们接触被微囊藻毒素污染的水后，可引起眼睛，皮肤过敏，急性肠胃炎等；3)导致急性肝衰竭。

目前，微囊藻毒素的测定方法主要有液相色谱法(HPLC)、液质联用法(LC-MS)、HPLC-电喷雾电离质谱法(HPLC-ESI-MS)等。其中，高效液相色谱法(HPLC)是最常用的MC分析方法之一。由于水体的中微囊藻毒素常以痕量形式存在以及干扰物质的存在，因此必须先将水样通过分离、萃取、吸附、富集等手段进行预处理，通过一定的净化洗脱方法，再将洗脱液进样检测，从而定性和定量。紫外检测器成本较低，适合筑建合适的HPLC-UV检测系统对环境水中的MC进行检测。

磁性聚合物粒子具有较好的磁化强度、化学稳定性、分散性、热稳定性、低毒性以及易功能化等优点。它是一种通过将功能单体、交联剂、引发剂等通过聚合反应得到的具有吸附作用的功能聚合物。该复合材料可以通过外加磁场实现快速分离吸附，还具有稳定的物化性质和机械性能，目前已被广泛应用于固相萃取、色谱分离、电化学传感器等。

发明内容

本发明提供了一种具有高吸附容量、具有良好选择吸附能力的用于检测微囊藻毒素的磁性聚合离子液体。

一种磁性聚合离子液体，它是由载体、功能单体、交联剂在引发剂作用下聚合形成的颗粒状材料，所述功能单体为1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐，所述交联剂为1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐。

优选地，所述磁性聚合离子液体的粒径为450～500nm；进一步地，粒径为500nm。

优选地，所述载体为MAPS修饰的Fe₃O₄SiO₂，Fe₃O₄SiO₂表示SiO₂包覆的Fe₃O₄颗粒，为表述方便，简写为Fe₃O₄SiO₂-MAPS。

优选地，所述MAPS修饰的Fe₃O₄SiO₂的粒径为30～35nm。

本发明还提供了一种所述磁性分子印迹聚合离子液体的制备方法，包括以下步骤：

将MAPS修饰的Fe₃O₄SiO₂分散于溶剂中，依次加入功能单体、交联剂和引发剂，在无氧条件下进行聚合反应，反应完成后收集产物，产物经洗涤、真空干燥，即制得所述磁性聚合离子液体。

优选地，所述聚合反应的温度为28～32℃，时间为20～25h；更优选，温度为30℃，时间为24h。

优选地，所述功能单体、交联剂和引发剂的摩尔重量比1mmol∶3～5mmol∶55～65mg；更优选，功能单体、交联剂和引发剂的摩尔重量比1mmol∶4mmol∶60mg。

优选地，所述载体与功能单体的重量摩尔比为0.05～0.15g∶0.4～0.6mmol；更优选，载体与功能单体的重量摩尔比为0.1g∶0.5mmol。

优选地，所述引发剂为偶氮二异丁腈。

本发明又提供了所述磁性聚合离子液体在检测微囊藻毒素中的应用。

本发明以1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐为功能单体，以1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐为交联剂聚合制得的磁性聚合离子液体对MC-RR，MC-LR能快速达到吸附平衡状态，同时具有较高的吸附容量和良好的选择吸附能力，MC-RR，MC-LR的最大吸附量分别为10.32μmol/g、10.88μmol/g。结合磁性聚合离子液体的萃取和高效液相色谱技术，检测水样中2种微囊藻毒素，低于国家规定的检出限。

附图说明

图1为制备本发明磁性聚合离子液体的流程图。

图2为Fe₃O₄(A)，Fe₃O₄SiO₂-MAPS(B)和MPIL(C)的TEM图。

图3为离子液体功能单体溴化1-乙烯基-3-乙基咪唑(a)及1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐(b)的红外光谱图。

图4为离子液体交联剂溴化-1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐(a)及1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐(b)的红外光谱图。

图5为Fe₃O₄(a)，Fe₃O₄SiO₂-MAPS(b)以及MPIL(c)的红外光谱图。

图6为Fe₃O₄(a)，Fe₃O₄SiO₂-MAPS(b)和MPIL(c)热重曲线图。

图7(A)为磁性吸附效果图。

图7(B)为Fe₃O₄(a)、Fe₃O₄SiO₂-MAPS(b)和MPIL(c)的磁滞回线图。

图8为Fe₃O₄(a)，Fe₃O₄SiO₂-MAPS(b)和MPIL(c)的XRD图。

图9为MPIL对MC-RR(a)和MC-LR(b)的吸附量-时间曲线图。

图10为MPIL的一级动力学模型图。

图11为MPIL的二级动力学模型图。

图12为南湖水样品经萃取后的液相谱图；

其中，a：为未加微囊藻毒素的南湖水样品经MPIL萃取后的HPLC谱图；b：为加入10μg/L微囊藻毒素的南湖水样品经MPIL萃取后的HPLC谱图；图中(1)为MC-RR，(2)为MC-LR。

具体实施方式

1、磁性载体的制备

取0.01mol FeCl₂·4H₂O和0.02mol FeCl₃·6H₂O溶于80mL去离子水中，使用恒压漏斗慢慢滴加10mL NH₃·H₂O，80℃下反应30min，冷却至室温，磁场分离出Fe₃O₄，用水洗涤至中性，60℃真空干燥12h，得到Fe₃O₄。

取300mg Fe₃O₄分散于40mL乙醇和10mL水中，超声15min后加入5mL浓氨水、2mL正硅酸乙酯TEOS，室温搅拌12h，磁场分离，依次用0.1mol/L稀盐酸、水洗涤固体，60℃真空干燥12h，得到Fe₃O₄SiO₂。

取250mg Fe₃O₄SiO₂，分散于50mL无水甲苯和5mL 3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MAPS)中，N₂环境下70℃下回流12h，外加磁场分离并用水洗涤固体，制得Fe₃O₄SiO₂-MAPS。

2、功能单体的制备

取0.05mol 1-乙烯基咪唑、0.05mol溴乙烷分散于15毫升甲醇中，60℃下搅拌15h，冷却后混合物加入至500ml乙醚中，滤出沉淀，在室温下干燥，制得溴化1-乙烯基-3-乙基咪唑(IL₃)。¹H NMR(400MHz，DMSO，ppm)：9.74(s，1H)，8.27(s，1H)，8.00(s，1H)，6.00(dd，1H)，5.37(dd，1H)，5.32(dd，2H)，4.25(q，2H)，1.41(t，3H)；¹³C NMR(400MHz，DMSO，ppm)：135.04，128.85，123.09，119.31，108.87，44.83，15.06

取0.05mol溴化1-乙烯基-3-乙基咪唑，0.05mol NH₄PF₆分散于50ml水中，室温搅拌12h，过滤出固体，用水洗涤后室温干燥，制得1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐(IL₁)。¹H NMR(400MHz，DMSO，ppm)：9.78(s，1H)，8.38(s，1H)，7.93(s，1H)，7.28(dd，1H)，5.94(dd，1H)，5.42(dd，2H)，4.32(q，2H)，1.45(t，3H)；¹³C NMR(400MHz，DMSO，ppm)：135.24，129.04，123.29，119.32，108.88，44.80，16.56)

合成路线如下：

3、交联剂的制备

取0.1mol 1-乙烯基咪唑，0.05mol 1，4-二溴丁烷分散于30ml甲醇中，60℃下搅拌15h，冷却后倒入1L乙醚中，室温干燥，制得溴化1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑(IL₄)。¹H NMR(400MHz，DMSO，ppm)：9.74(s，1H)，8.28(s，1H)，8.02(s，1H)，7.34(dd，1H)，6.00(d，1H)，5.42(d，1H)，4.30(s，2H)，1.87(s，2H)；¹³C NMR(400MHz，DMSO，ppm)：135.48，128.93，123.28，119.19，108.72，48.39，25.75

取0.05mol溴化1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑，0.1mol NH₄PF₆分散于50ml水中，室温搅拌12h，过滤出固体，用水洗涤后用水干燥，制得1，4-丁烷3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐(IL₂)。¹H NMR(400MHz，DMSO，ppm)：9.76(s，1H)，8.38(s，1H)，8.22(s，1H)，7.35(dd，1H)，6.05(d，1H)，5.43(d，1H)，4.32(s，1H)，1.82(s，2H)；¹³C NMR(400MHz，DMSO，ppm)：135.38，128.92，123.48，119.59，108.82，48.49，25.85

合成路线如下：

4、磁性聚合离子液体的制备

取0.1g Fe₃O₄SiO₂-MAPS分散于30mL(甲苯+乙腈＝1∶1)，依次加入0.5mmol离子液体功能单体1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐(IL₁)、2.0mmol离子液体交联剂1，4-丁烷3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐(IL₂)、30mg偶氮二异丁腈(AIBN)，通氮气15min除氧，密封，60℃下搅拌24h，磁场分离产物，用甲醇-乙酸溶液(体积比9∶1)洗涤，30℃真空干燥24h，制得磁性聚合离子液体(MPIL)。上述磁性聚合离子液体(MPIL)的制备流程如图1。

5、形貌表征

采用透射电镜对磁性聚合离子液体的形貌进行观察。由图2(A)所示，Fe₃O₄磁性纳米颗粒尺寸均一，呈球形，粒径约为15nm；从图2(B)可以看出，SiO₂包覆Fe₃O₄并键合MAPS后，Fe₃O₄SiO₂-MAPS粒径增加到30～35nm；由图2(C)所示，经过修饰后的磁性聚离子液体微球有粘连现象，并且外壳厚度增大，粒径达到450～500nm，说明成功制备了MPIL。

6、红外光谱分析

从图3和4中可以看到，1630cm^-1、1550cm^-1、1165cm^-1处的吸收峰，分别归属于MP上的C＝C、C＝N、C-N的伸缩振动峰，3085cm^-1、1470cm^-1归属于咪唑环上阳离子的吸收峰。其中，图3和图4的谱线a中，840cm^-1归属于离子液体上PF₆的伸缩振动峰。

图5谱线a中565cm^-1为Fe₃O₄纳米颗粒中Fe-O键的伸缩振动峰。从图5可以看出，Fe₃O₄SiO₂-MAPS的红外光谱图中1100cm^-1处有一个强吸收带，归属于Si-O的伸缩振动峰，945cm^-1为Si-OH的伸缩振动峰，说明Fe₃O₄微球表面成功包覆了SiO₂，而1715cm^-1、1630cm^-1处的吸收峰对应的是MAPS上的C＝O、C＝C的伸缩振动峰，表明MAPS已修饰到Fe₃O₄SiO₂表面。

图5谱线c为MPIL的红外光谱图，1550cm^-1、1165cm^-1处的吸收峰，分别归属于MP上的C＝N、C-N的伸缩振动峰，840cm^-1归属于离子液体上PF₆的伸缩振动峰，同时还存在Fe₃O₄SiO₂-MAPS的特征峰(如1630、1100cm^-1)，说明成功制备了MPIL。

7、热重分析

在N₂条件下，从30℃升温至800℃对MPIL进行TGA分析。从图6中可见，Fe₃O₄无明显失重峰，仅失重7.1％，说明其热稳定性良好。Fe₃O₄SiO₂-MAPS在500℃附近的失重是其表面修饰的MAPS所致，Fe₃O₄SiO₂-MAPS失重较小，约为21.4％。而MPIL从300℃后MIP逐渐开始分解，失重量约为33.2％，到600℃，聚合物的骨架完全分解，其失重量约为77.7％，剩余的物质是难分解的Fe₃O₄粒子。

8、磁性分析

利用振动样品磁强计(VSM)对Fe₃O₄、Fe₃O₄SiO₂-MAPS和MPIL进行磁性能分析。从图7(B)中可以看到，Fe₃O₄、Fe₃O₄SiO₂-MAPS和MPIL的最大磁饱和度分别为70.299emu/g、18.138emu/g和4.739emu/g。这三种磁纳米微球都具有强磁化强度和超顺磁性，并在修饰后仍具有较好的磁性。因此，在萃取实验中，可利用此特性用外加磁场将MPIL吸附剂迅速从溶液中吸附分离出来。

图7(A)是磁铁吸附照片。从图7(A)可以看到，MPIL颗粒分散于溶液中被外磁场分离前后的照片。当不存在外磁场时，MPIL颗粒均匀分散于小瓶中并使溶液呈棕黄色，当加入外磁场时，颗粒被迅速吸附在瓶壁上，在较短时间内溶液变澄清，这说明MPIL在外加磁场情况下，可以达到快速分离的效果。

9、XRD分析

如图8所示，在(220)、(311)、(400)、(440)、(511)和(440)处，可以看到较强的Fe₃O₄的特征峰，衍射峰位置在磁性微球中没有发生变化，说明Fe₃O₄的尖晶石型结构继续存在于各样品中，并且Fe₃O₄纳米粒子的晶体结构在修饰和聚合过程中没有改变。由图8也可以看出，在Fe₃O₄SiO₂-MAPS(b)和MPIL(c)中2θ＝22°为非晶型SiO₂的衍射峰。

10、吸附性能分析

取20mg磁性聚离子液体材料MPIL分别分散于20mL微囊藻毒素MC-LR/MC-RR(均购自德国Dr.Ehrenstorfor Gmbh试剂有限公司)甲醇溶液中，室温下搅拌10min，用磁铁分离MPIL，用紫外可见分光光度计对上清液检测，吸附量通过如下公式计算：

Q = \frac{(C_{0} - C_{e}) V}{m}

式中，Q为MPIL的吸附量(μmol/g)，C₀、C_e分别为微囊藻毒素甲醇溶液的初始浓度、MPIL吸附后微囊藻毒素的浓度(μmol/L)，V为溶液的体积(L)，m为MPIL的质量(g)。

如图9所示，MPIL对微囊藻毒素的吸附量随着吸附时间逐渐增大，10min达到饱和吸附，吸附达到平衡，说明MPIL对微囊藻毒素的吸附具有快速的特点。MC-RR和MC-LR的最大饱和吸附量差异不大，分别为10.32μmol/g、10.88μmol/g，说明MPIL具有稳定的吸附性能。通过吸附量可看出，MPIL对2种微囊藻毒素都有吸附，为它们用于萃取和检测提供了条件。

11、吸附动力学分析

为了进一步研究MPIL对微囊藻毒素的吸附动力学，分别对MPIL的吸附量-时间曲线进行吸附动力学模拟分析，分别采用一级动力学模型和二级动力学模型进行表征。由两种模型的拟合系数R，来确定MPIL属于哪种吸附动力学过程。

一级、二级动力学方程如下：

ln(Q_e-Q_t)＝lnQ₁-k₁t

t/Q_t＝1/k₂Q₂ ²+t/Q₂

式中，Q_e为MPIL对MC-LR的平衡吸附量(μmol/g)，Q_t为t时刻MPIL对MC-LR的吸附量(μmol/g)，k₁为一级速率常数(min^-1)，k²为一级速率常数(min^-1)。

表1 MPIL的动力学一级模型和二级模型参数

如图10和11所示，准一级动力学模型拟合得到的关系图中，ln(Q_e-Q_t)与t呈线性关系，拟合系数为0.9913。准一级动力学模型拟合得到的关系图中，t/Q_t与t呈良好的线性关系，拟合系数为0.9965。同时，准二级动力学吸附模型拟合得到的理论吸附量(7.11μmol/g)与实验值10.88μmol/g)比较接近。由此可以推断，该MPIL磁性聚合物材料的吸附过程为准二级动力学吸附。

12、线性范围和检出限分析

采用MPIL萃取和HPLC相结合，对水中的MC-RR、MC-LR进行检测研究。取20mg MPIL加入到20mL已经含有2种微囊藻毒素的标准溶液中，室温搅拌10min，MPIL吸附水中微囊藻毒素，磁场分离已经吸附完全的MPIL，用5mL乙腈/乙酸混合液(v∶v＝9∶1)洗脱吸附在MPIL的微囊藻毒素，收集洗脱液，氮吹洗脱液至0.5mL，高效液相色谱检测。在此条件下，MC-RR、MC-LR的线性范围和检出限(S/N＝3)如表2所示。

表2微囊藻毒素的线性范围、检出限

可见，本方法低于国际规定的检出限1μg/L，适用于对于微囊藻毒素的检测。

13、水样的分析检测

MPIL用于嘉兴南湖水样、杭州西湖水样中2种的萃取，结合HPLC进行分析检测，具体过程如下：

取20mg磁性离子液体材料MPIL分别加入到20mL水样中，MPIL吸附水中微囊藻毒素，室温搅拌10min，磁场分离已经吸附藻类毒素的MPIL材料，用5mL乙腈/乙酸混合液(v∶v＝9∶1)洗脱吸附在MPIL的微囊藻毒素，收集洗脱液，氮吹洗脱液至0.5mL，高效液相色谱检测。

液相色谱条件：色谱柱为Dionex120(250mm×4.6mm，5μm)，流动相为乙腈∶0.2％甲酸水溶液＝35∶65(v∶v)，流速：1mL/min，柱温25℃，检测波长238nm，进样量20μL。MC-RR、MC-LR的保留时间分别5.6、12.8min。

如图12所示，可看出水样中都没检测到2种微囊藻毒素，为了考察方法的可行性，采用加标回收法，对样品水中添加5μg/L、10μg/L的微囊藻毒素浓度进行实验，结果见图12和表3所示，MPIL能够对水中的2种微囊藻毒素进行吸附，并且吸附后的2种微囊藻毒素能很好地从MPIL中洗脱下来，说明MPIL对微囊藻毒素有很好的吸附作用。从表3可见，MC-LR、MC-RR的MPIL检出限分别为0.6μg/L，0.8μg/L，回收率分别为92.63％～99.62％，92.89％～98.25％，RSD为3.2％～4.7％、3.8％～4.9％，结果表明MPIL材料适用于水样2种微囊藻毒素的检测。

表3 MPIL萃取水样中的微囊藻毒素的测定(n＝3)

实验结果表明，MPIL对MC-RR，MC-LR能快速达到吸附平衡状态，同时具有较高的吸附容量和良好的选择吸附能力，MC-RR，MC-LR的最大吸附量分别为10.32μmol/g、10.88μmol/g。结合磁性聚合离子液体的萃取和高效液相色谱技术，检测水样中2种微囊藻毒素，并低于国家规定的检出限，说明该磁性聚合物与高效液相色谱联用取得了满意的结果。

Claims

1.一种磁性聚合离子液体，它是由载体、功能单体、交联剂在引发剂作用下聚合形成的颗粒状材料，其特征在于，所述功能单体为1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐，所述交联剂为1，4-丁烷-3，3’-双-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐。

2.如权利要求1所述的磁性聚合离子液体，其特征在于，粒径为450～500nm。

3.如权利要求1所述的磁性聚合离子液体，其特征在于，所述载体为MAPS修饰的Fe₃O₄SiO₂，Fe₃O₄SiO₂表示SiO₂包覆的Fe₃O₄颗粒。

4.如权利要求1所述的磁性聚合离子液体，其特征在于，所述MAPS修饰的Fe₃O₄SiO₂的粒径为30～35nm。

5.如权利要求1-4任一所述磁性聚合离子液体的制备方法，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的温度为60～80℃，时间为20～25h。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述功能单体、交联剂和引发剂的摩尔重量比1mmol∶3～5mmol∶55～65mg。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述载体与功能单体的重量摩尔比为0.05～0.15g∶0.4～0.6mmol。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为偶氮二异丁腈。

10.如权利要求1-4任一所述的磁性聚合离子液体在检测微囊藻毒素中的应用。